岩石单轴压缩下损伤表征及演化规律对比研究

采用声波、声发射一体化装置同步测试单轴压缩下花岗岩应力应变、超声波及声发射(AE)特征演化规律,分析岩石特征应力对应的宏–细观表征,通过裂纹体积应变、声发射及声波特征等共同量化岩石损伤演化过程。结果表明:裂纹体积应变和波速对应的损伤起始应力吻合较好,AE事件、幅值分布、b值对应的应力特征值基本一致,但AE事件表征的损伤累积开始早于宏观变形和声波;初始加载阶段波速及各项异性系数K均逐渐增加,之后变化趋缓,起裂应力后侧向波速开始减小,而K逐渐增大;峰值应力前裂纹的快速聚结引起AE信号幅值大幅增加,伴随的是b值的快速下降和AE累积能量的陡增;基于起裂应力后损伤才开始累积的假定,量化并对比了裂纹体应变、AE事件等多参量表征的损伤演化规律,发现花岗岩损伤累积绝大部分发生在损伤应力之后。裂纹体应变表征的损伤具有明确物理意义,但裂纹体应变计算中泊松比选取存在一定主观性,裂纹体应变、AE能量、模量等参数表征的损伤在接近峰值应力前均出现大幅增加,与b值的快速下降对应。综合对比分析,AE能量表征的损伤具有更好的可靠性,反映了岩石损伤破裂的本质特征。     

冻融灰岩单轴声发射损伤特性试验研究

为探究冻融及轴向载荷作用下灰岩力学特性演化规律及内部细观结构渐进损伤特征,开展不同冻融循环次数灰岩单轴声发射试验,获得相应的物理力学参数,分析声发射信号与冻融灰岩内部微裂纹活动的相关性,定量研究冻融灰岩损伤累积变化规律,阐明冻融灰岩损伤劣化机制。结果表明：随着冻融次数的增加,灰岩单轴抗压强度、弹性模量、泊松比逐渐降低,冻融80次后分别折减61.43%,48.42%,17.33%,峰值应变点逐渐后移;声发射振铃计数变化过程可分为平静阶段、增长阶段、陡增阶段;随着冻融次数增加,灰岩单轴声发射信号活跃且呈局部高密度释放特征,声发射b值呈“V”型变化,动态b值局部突降表明大尺度裂纹产生,灰岩内部裂纹类型由剪切裂纹向拉伸裂纹阶段过渡,对应岩样由剪切破坏转为劈裂破坏;冻融0,10,20次灰岩损伤变量呈突变或渐进突变特征,冻融40,60,80次灰岩损伤变量呈分段渐进式增长;水冰相变引起孔隙结构体积膨胀、孔隙局部冰结造成的细观水压致裂现象及自由水动力学响应是造成灰岩冻融损伤的主因。     

基于围压因素的分级应力扰动下砂岩损伤破裂特性试验研究

受制于采掘活动的频繁应力扰动,地下工程围岩的稳定性问题日渐突出,严重制约了地下矿产资源的安全高效开采。为了探究不同埋深下岩体在应力扰动过程中的损伤破裂机制,以常规三轴试验为基础,开展4组围压下的分级应力扰动室内试验,基于力学分析、声发射分阶段定位及损伤评价指标演化特征,确定分级应力扰动下岩石力学的损伤劣化规律及细观裂纹发育特征,建立岩石损伤状态—微观裂纹发育特征—损伤评价指标变化三者之间的关联。结果表明：(1)分级应力扰动下,岩石峰值强度和峰值轴向应变随围压升高逐渐增大。应力扰动各阶段轴向应变增量均呈现初期小幅波动,中期缓慢增加,后期快速增加的趋势;平均弹性模量呈现初期小幅波动后快速降低的趋势。(2)围压通过限制裂纹扩展降低岩石损伤累积速率,高围压下岩石能承受更多级应力扰动,且恒压阶段蠕变特征更明显。(3)加载前期,岩石内部裂纹发育仅在既有损伤区域的重复压密破坏和临近区域少量微裂纹的发育,扰动后期随着轴力的升高会使得围压限制作用减弱造成裂纹快速扩展。(4)岩石内部在加载不同阶段微裂纹发育的数量、尺度的变化能有效的体现在声发射b值和ΔF值,与岩石损伤程度耦合度较高,可用来定量评估岩石损伤...     

岩石波速与损伤演化规律研究

岩石波速随应力的变化对研究损伤演化具有重要意义。采用颗粒流程序建立9种不同模型,在模型内设置激发源和接收器,通过对激发源施加速度脉冲并记录接收器信号模拟波的传播与衰减,可以得出:配位数与孔隙率呈线性变化关系,波幅衰减与枝矢量分布直接相关,波速主要受孔隙率、配位数张量和刚度张量影响。模拟岩石双轴压缩应力–应变过程中轴向和侧向波速,微裂纹主要沿轴向分布,相比剪切裂纹,张拉裂纹优势导向与轴向夹角较小,且随着裂纹的增多,波速及枝矢量分布各向异性逐渐增大。波速变化的内在原因是新接触点的形成、黏结断裂和接触点的分开,波速变化依赖于刚度张量相应分量的平方根,二者变化规律基本保持一致。通过刚度张量及枝矢量分布变化确定损伤特性及导向,是一种量化波速与损伤的新方法,可为损伤演化规律研究提供参考。     

大理岩热损伤声发射力学特性试验研究

为研究经过不同温度作用后大理岩的渐进破坏全过程,对25℃,200℃,400℃和600℃后的大理岩进行单轴压缩试验,并监测其全变形过程的声发射现象,对其声发射特性、破裂模式、启裂应力和损伤应力取值范围、损伤演化规律及应力–应变模型进行研究。研究表明,随着大理岩经历温度的升高,岩石峰值强度逐渐降低,峰值应变增大,岩样延性增强;高温后大理岩的声发射特性与常温有明显区别,热损伤导致岩样加载初期声发射信号比较活跃,而进入弹性阶段后,声发射活动性不如常温下剧烈;用声发射法求出归一化启裂应力和归一化损伤应力的范围分别为0.33~0.46和0.71~0.82,随着温度升高,二者有增大的趋势;600℃以内,岩样破坏模式由单一劈裂破坏向多劈裂面破坏转变,最后变为单剪破坏,试验表明声发射定位与岩样宏观破裂规律对应较好。同时,建立基于累计振铃计数的损伤变量,25℃下岩样损伤演化过程分为4个阶段,高温后岩样初始损伤变大,损伤变量随应变演化变得缓慢。根据裂纹轴向应变规律和声发射参数推导大理岩变形全过程应力–应变本构模型,模型计算结果与试验曲线吻合较好,且温度越高,模型适用性越好。     

单裂隙花岗岩破坏强度及裂纹扩展特征研究

为了研究裂隙花岗岩强度特征及破坏过程,对裂隙花岗岩进行单轴压缩下的声发射测试,基于应力–应变数据、声发射多参量特征、摄像记录综合分析裂纹扩展特征及其相互变化关系。研究结果表明:裂隙倾角?对起裂应力和破坏强度影响较大,弹性模量和起裂应力随?单调增大;裂隙花岗岩应力–应变曲线在峰前呈阶梯状上升,尤其当?较小时,发生多次应力突降,应力降对应模量的快速弱化、AE事件率和能量率的剧烈凸起;AE事件率表现出明显的三阶段特征,随着?的增大,三阶段特征逐渐弱化,岩石的脆性破坏程度增大,应力降和AE凸起数量逐渐减小,AE事件率和能量率最大值对应的应力逐渐增大;相比AE事件,能量率最大值的发生更靠近峰值强度,且变化更剧烈;AE震源时空演化很好地描绘了裂纹的三维扩展区域和分布规律,稳定增长期震源数量和幅值均较小,高速增长期大幅值震源数量快速增加,尤其是在临近破坏前。     

裂隙砂岩裂纹扩展声发射响应及速率效应研究

冲击地压等动力灾害是含裂隙结构面岩体破裂发育、成核的动态演化结果,借助声发射监测可精确感知破裂演化过程进而实现灾害的有效预警。测试不同加载速率下含平行贯通雁行裂纹砂岩声发射行为的全程动态时变演化规律,借助声发射三维定位重点分析裂纹扩展关键特征点处声发射时–空–频–非线性响应及其加载速率效应。结果表明:(1)裂隙砂岩裂纹扩展及声发射响应行为存在着明显的加载速率效应:随着加载速率增大,声发射计数峰值、多重分形谱宽度Δα及主频幅值均逐渐增大,Δf(α)和主频则逐渐减小,岩体破裂过程的动力显现及非线性特征也越来越明显,破裂模式也由剪切破坏过渡为张拉破坏。(2)裂隙砂岩受载全程中随着应力增大声发射计数、分形谱宽度Δα、主频幅值及低频成分占比逐渐增大,多重分形参量Δf(α)逐渐减小;特别在亚失稳阶段,声发射计数表现出多次"突增+平静"特征,频谱及多重分形参数表现出波动特性,可以根据声发射信号动态时变趋势和"突增+平静"特征对动力灾害做出临灾预警。(3)裂隙砂岩宏观裂纹起裂、扩展形成主破裂过程就是锁固体不断破裂的过程,每一次锁固体断裂均对应着宏观裂纹发育、应力突降、声发射计数高值响应、频谱及多重分形参数极值。基于微破裂演化成核多锁固体破裂理论定量地解释裂隙砂岩力学性质的加载速率效应及亚失稳阶段声发射信号几起几落的"突增+平静"前兆行为。     

花岗岩破裂过程中声波与声发射变化特征试验研究

采用声波、声发射一体化监测装置研究了单轴加载及循环荷载作用下花岗岩波速和声发射变化特征。研究结果表明：①加载初期,岩石内部微裂纹受力闭合,纵波、横波波速显著增加,而声发射事件数量极少;加载中期,岩石处于线弹性变形阶段,纵波、横波波速缓慢增加后保持稳定,声发射事件少量产生,约占声发射事件总量的9.44%;加载后期,岩石处于破裂损伤阶段,裂纹开始萌生,拓展,岩石纵波波速呈现略微下降趋势,而横波波速明显降低,声发射活动剧烈,约占声发射事件总量的50.63%。峰值应力之后,花岗岩横波波速开始急剧下降,而纵波波速缓慢降低,声发射活动依然活跃。②由于岩石的内部损伤需要积蓄一定能量才会形成,因此声发射活动呈现“相对平静、间隔突发”的规律,“相对平静期”最明显的时段位于峰值应力之前。③循环加卸载条件下,岩石的波速和声发射变化特征与应力状态表现出良好的一致性。统计分析声发射事件数量随应力的变化规律,论证了岩石的Felicity效应;比较分析加载过程中的Felicity比变化,证明了岩体的累积损伤。     

单轴压缩砂岩细观裂纹动态演化特征试验研究

岩石细观裂纹的动态演化特征作为岩石破坏的重要信息,其研究对于分析岩爆的孕育过程及预测岩石动力灾害发生有着重要意义。采用应力分析和声发射参数方法,研究了砂岩在单轴压缩条件下的细观裂纹的强度动态演化特征。试验结果表明,应力与砂岩细观裂纹扩展诱发声发射（AE）事件的强度特征有较好的阶段性变化规律,将峰前裂纹动态演化划分为三个阶段。进一步分析裂纹的类型特征,提出三阶段四维演化过程分析方法。细观裂纹多为张拉型,随着时间的增加,细观裂纹向剪切型裂纹转变,裂纹数量迅速增加,裂纹强度逐渐增大。提出将第三阶段AE事件出现的高强度、高RA、低AF特征作为砂岩破裂失稳的定性预警条件。通过矩张量反演对比分析了的细观裂纹数量和类型的动态演化。     

单轴压缩砂岩细观裂纹动态演化特征试验研究

岩石细观裂纹的动态演化特征作为岩石破坏的重要信息,其研究对于分析岩爆的孕育过程及预测岩石动力灾害发生有着重要意义。采用应力分析和声发射参数方法,研究了砂岩在单轴压缩条件下的细观裂纹的强度动态演化特征。试验结果表明,应力与砂岩细观裂纹扩展诱发声发射(AE)事件的强度特征有较好的阶段性变化规律,将峰前裂纹动态演化划分为三个阶段。进一步分析裂纹的类型特征,提出三阶段四维演化过程分析方法。细观裂纹多为张拉型,随着时间的增加,细观裂纹向剪切型裂纹转变,裂纹数量迅速增加,裂纹强度逐渐增大。提出将第三阶段AE事件出现的高强度、高RA、低AF特征作为砂岩破裂失稳的定性预警条件。通过矩张量反演对比分析了的细观裂纹数量和类型的动态演化。     

单轴压缩煤岩损伤演化及声发射特性研究

 为建立声发射参数与岩石(煤岩)力学破坏机制的关系,更好地了解受载煤岩体的损伤演化规律,进一步揭示煤岩动力灾害演化过程及灾害时间效应产生机制,利用MTS815岩石力学测试电液伺服试验系统和8CHS PCI–2声发射检测系统,对单轴压缩煤岩的损伤演化及声发射特性进行试验研究,分析单轴压缩煤岩的声发射特性,提出基于“归一化”累积声发射振铃计数的损伤变量,建立基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型,得出煤岩的损伤演化曲线和方程。研究表明,声发射信息反映煤岩内部的损伤破坏情况,与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型是合理的。单轴压缩煤岩损伤演化过程可分为3个阶段：初始损伤阶段、损伤稳定演化和发展阶段、损伤加速发展阶段。煤岩由变形至破坏可视为一逐渐发展过程：由变形、损伤的萌生和演化,直至出现宏观裂纹,再由裂纹扩展到破坏的全过程。     

高温后非共面双裂隙红砂岩力学特性试验研究

 利用岩石力学伺服试验机与声发射仪,对经历不同高温后非共面双裂隙红砂岩试样(尺寸为80 mm×160 mm× 30 mm)进行单轴压缩试验,分析高温对非共面双裂隙红砂岩强度变形特性与裂纹演化特征的影响。结果表明,非共面双裂隙红砂岩的峰值强度与杨氏模量均随着温度的增加呈先增大后减小的非线性变化规律,在温度为300 ℃时达到最大值,然而,峰值应变随着温度的增加呈非线性增大。基于对非共面双裂隙红砂岩加载过程中的声发射特征分析,应力–时间曲线上每发生一个明显的应力跌落对应会产生一个较大的声发射事件,体现在试样上为产生一条新裂纹或原有裂纹扩展;通过照相量测技术,分析了不同高温作用后非共面双裂隙红砂岩试样的裂纹演化特征。最后探讨了温度对非共面双裂隙红砂岩起裂与贯通应力的影响及其对力学参数的影响机制,起裂应力随着温度的增加呈先增大后减小,在300 ℃时为最大值;而常温至600 ℃时,贯通应力呈增大趋势,但由600 ℃增至900 ℃时,贯通应力变化不大。     

顶板–煤柱结构体力学特性及其渐进破坏机制研究

基于声发射和数码摄像机录像系统,对不同高比的5组顶板砂岩–煤柱结构体进行单轴压缩试验,研究其力学特性及渐进破坏机制。顶板砂岩–煤柱结构体整体强度是远离交界面和交界面处砂岩、煤样强度的综合,摩擦效应加强了交界面处煤样强度,而削弱了交界面处砂岩强度;顶板–煤柱结构体宏观破坏起裂应力、单轴抗压强度和弹性模量均随岩煤高比递减而呈递减趋势;在同等条件下煤样原生裂纹越发育,顶板–煤柱结构体宏观破坏起裂应力、弹性模量和单轴抗压强度越小。顶板–煤柱结构体宏观破坏起裂导致应力–应变曲线出现阶梯状波动,AE信号出现峰值,大部分起裂位置位于煤样上,但当岩煤高比为9∶1时,交界面处砂岩首先破坏起裂。煤样内裂纹扩展和贯通使其变得较破碎且形成局部破坏,同时局部破坏的贯通导致煤样最终破坏;砂岩破坏是煤样内裂纹扩展贯通至其内部造成的,且由于裂纹扩展能力、速度及角度的不同,砂岩破坏形态呈劈裂破坏、剪切破坏或不发生破坏,随岩煤高比增大,煤样和砂岩破坏程度增大,煤样更加破碎。     

Rock rupture phenomenon and pillar failure in tuffs in the Cappadocia region (Turkey)

The aim of this study is to investigate the relation between the critical failure stresses for rupture and pillar instabilities observed in tuffs in Cappadocia region and stresses triggering the early crack propagation stages such as crack initiation, systematic cracking and crack coalescence thresholds determined from Brazilian and uniaxial compression tests on rock samples obtained from these instabilities. These failures in the region have been occurring as a result of strength reduction of rocks through time, and long-term strengths of these rocks are achieved by own weight of the rock mass. In this study, these failures were evaluated in order to estimate long-term failure strength of rocks by classical short-term laboratory tests. For this purpose, some cases on rock rupture phenomenon and a pillar failure case were picked from different parts of the region. During the selection of these instabilities, the ones with relatively regular geometries were preferred. Rock block samples were collected from each case, and uniaxial compressive and indirect tensile (Brazilian) tests were carried out on dry and saturated specimens. In these tests, axial deformations and acoustic emission (AE) activity were also recorded in order to identify thresholds of the crack propagation and deformation stages of rock samples. The simplified back-analysis of each case was conducted, and the tensile stresses on rupture surfaces and uniaxial compressive stress on pillar were calculated. Then, stress levels at the thresholds of crack propagation and deformation stages determined by laboratory tests and stress levels determined by back-analyses were compared. Finally, it is concluded that crack initiation and/or systematic cracking thresholds may be a good indicator to determine lower bound of the in-situ strength of these tuffs and can be used as an estimator of their long-term strengths.     

三轴多级荷载下盐岩声波声发射特征与损伤演化规律研究

 采用岩石声波、声发射一体化监测装置,系统地研究三轴多级循环荷载作用下盐岩超声波波速与声发射变化特征。结果表明：(1) 岩石的超声波波速和声发射活动与应力状态呈现出良好的一致性。加载阶段,超声波波速上升,声发射活跃,卸载阶段,超声波波速下降,声发射平静,应力级数越高,这一特征越显著。(2) 盐岩的声波、声发射特征与试验围压应力密切相关。围压水平越低,应力循环试验中岩石波速变化率越大,声发射事件数量越多;围压水平越高,岩石超声波波速变化率越小,声发射事件数量越少。五级应力荷载试验中,围压条件为5,10,15,20 MPa时盐岩的声发射事件数量分别为1 026,703,361和206个,显示了“围压致密效应”。(3) 分别应用卸载模量、裂隙密度和Felicity比表征盐岩的损伤演化。结论认为：盐岩的裂隙密度和Felicity比变化与岩体承载破坏特征较为一致,可以较好地反映盐岩的损伤破裂过程,而利用卸载模量表征盐岩损伤误差较大,这是由于盐岩特殊的黏塑性变形特征造成的。     

岩石单轴压缩条件下裂纹扩展试验研究——以片状岩石为例

 为研究片状岩石渐进性破坏,首先对其应力门槛值：裂纹起始应力 、裂纹破坏应力 、单轴抗压峰值强度 及相互间的关系进行系统的总结和论述。基于片状岩石--丹巴二云英片岩单轴压缩试验轴向应力–轴向/ 径向应变曲线,首次将岩石渐进性破坏过程应力门槛值分析应用于片状岩石,得出加载方向与片理面方向平行、垂直和成30°夹角3种加载条件下的应力门槛值,并将其与其他岩石种类的应力门槛值研究结果进行比较。结果表明裂纹扩展过程与岩石种类有关,不同岩石矿物颗粒、胶结状况、片理面发育情况等因素都会影响岩石的渐进性破坏过程,从而对应不同的应力门槛值范围。二云英片岩的试验结果直接表明,由于片理面的发育,片状单轴压缩条件下的裂纹扩展过程存在显著的各向异性,这一特点显著区别于其他种类岩石,在地下工程开挖中应对其进行具体的量化分析,以指导开挖设计和支护加固。     

低孔低渗砂岩加载条件下的声波传播特性 实验研究

 以低孔低渗砂岩在不同围压条件下的岩石力学测试实验及力学实验过程中岩石纵、横波时差和波形等的采集实验为基础,研究低孔低渗砂岩在三轴和单轴加载过程中声波波速、幅度、频谱特性的变化特征。研究发现：(1) 低孔低渗砂岩的声波纵、横波速及频谱特性随岩石变形和破坏的阶段变化而变化。在岩石中裂隙、孔洞压密阶段,纵、横波波速都快速上升;纵、横波速达到峰值时的轴向应力与岩石抗压强度的比值随孔隙度与渗透率乘积的增大而减小。(2) 声波纵、横波波形的变化与岩石的变形紧密相关。随着轴向载荷增大,岩石内部裂纹的产生和扩展,当岩石轴向应力为极限强度的60%左右时,横波波形末端出现明显的散射波信号。(3) 随着轴向载荷增大,岩石被压实,频谱曲线上的振幅呈增大趋势;随着岩石轴向载荷进一步增加,裂纹产生,频谱曲线上低频端较高频端活跃。(4) 岩石达到峰值强度前阶段,纵波首波振幅和频谱主振幅都表现出上升趋势,且弹性压缩阶段,首波振幅和频谱主振幅上升速率较快,裂纹不稳定扩展阶段,主振幅表现出比首波振幅低的上升趋势。低孔低渗砂岩加载过程中表现出来的声波传播特性的变化特征,对其内部裂缝动态变化的预测和稳定性评价都具有重要的指导意义。